小孔成像：墨子的一个超前实验
小孔成像：墨子的一个超前实验
小孔成像是一种光学现象，当光线通过一个小孔时，会在后面的屏幕上形成倒立的实像。这一现象在中国古代就有记载，最早由墨子发现，并在后续的历史发展中不断被研究和应用。
中国古代一个有趣的故事：有人请了一个画匠，为他画一幅画。一天画匠告诉他：“画好了！”那人一看，只见一块涂了漆的大木板上，只钻了个孔，却什么画也没有，于是生气地质问画匠。画匠说：“你要修一座房子，房子要有一堵高大的墙，再在这堵墙对面的墙上开一扇窗户。把木板挡在窗上，当太阳一出来，你在对面的墙上就可以看到一幅图画。”那人半信半疑，但也照办了。果然，在屋子的墙壁上，出现了亭台楼阁和车马往来的图像，好像一幅活动的风景画，更奇怪的是：画上的图像都是倒着的！
其实，这个带着夸张成分的故事里，其关键就在那块钻了孔的木板上，这样就可以用科学去解释了：小孔成像。
“小孔成像”是一个物理现象：用一个带有小孔的隔板，遮挡在墙体与物体之间，当光透过小孔，墙体上就会形成物体的倒立实像。如果前后移动隔板，墙体上像的大小也会随之发生变化。这种现象说明，光是沿直线传播的。
世界上第一个做这个实验的人，是我们中国古代伟大思想家、科学家、墨家学派创始人墨子。
墨子的超前发现
墨子，名翟，战国时期鲁国人，约生活于公元前468年～公元前376，有《墨子》一书传世。
墨子与他的弟子们，曾做过一个实验：在一个屋子朝阳的墙上开一个小孔，让一个人站在墙前，当猛烈的阳光照射在墙上时，屋内对面的墙壁上，就出现一个倒立的人像。
我们也简单做个实验：在一张纸板上戳一个直径大约3厘米的小孔，再点燃一根蜡烛，放在纸板前。纸板后放一张白纸。当蜡烛的光穿过纸板上的小孔，照射在白纸上时，会出现一个倒立的蜡烛火焰的像。当移动蜡烛，离纸板较近的时候，白纸上的像就变小变亮；当蜡烛离纸板较远时，像就变大变暗。
这就是小孔成像。那么它的原理是什么呢？
墨子在书中解释道：光线照到人，人体所反射的光线好比箭射那样地直线前进。人的下部在屏之高处成像；人的高部在屏之下面成像。即所成之人像为倒转。这是因为，来自足部的光线，其下面一部分被遮蔽了；来自头部的光线，其上面一部分被遮蔽了的缘故。但正因为在光路上或远或近存在着小孔，可让光线透入，故暗匣内所成之像是个明亮的影像。
同理，在我们的实验中，蜡烛的火焰向四面八方发射着光，每当一小束光穿过小孔，就会在白纸上形成一个对应的小光斑；全部穿过小孔的光斑，就会在白纸上形成了一个烛焰的像。烛焰上部发出的光，沿直线通过小孔，照在白纸的下部，烛焰下部发出的光则照在白纸的上部，所以在白纸上形成一个倒立的像。
实验证明了：光是沿着直线传播的。在两千四百多年前，墨子关于小孔成像的描述，科学而精确，更是世界首次，这在当时的文明里是相当超前的。
停滞与退步
遗憾的是，墨子的这个超前发现，自秦汉起一直被忽视，渐渐埋没在历史文化深处。到了唐代，“小孔成像”又被重复发现了。笔记小说家段成式，在其著作《酉阳杂俎》中记录了小孔成像的现，却把塔影的颠倒归因为“海影翻”，这相对于墨子的理论，是个很大的退步。
到了北宋，科学家沈括在《梦溪笔谈》中也有“小孔成像”的记载。他不但观察到了“小孔成像”会出现倒影，也观察到了“凹镜成像”可以同时形成正影和倒影。虽然，他否定了段成式“海翻所以影倒”魔幻解释，但是，他也出现的新的错误：把“小孔成像”与“凹镜成像”的原理归为一类。然而，小孔成像的原理在于光的直射，凹镜成像的原理在于光的反射，是两类不同的光学现象。
大诗人陆游在《老学庵笔记》也有对小孔成像的记载：他观察到了光透过天窗或廊庑之窗，所形成的颠倒的塔影。但他对这个现象，也难以有所理论。
这些重复的发现，并没有进展式的研究成果，有时甚至是退步的错误的。
发展时期
一直到了十四世纪的元代，天文数学家赵友钦才有了新的发现。在他所著的《革象新书》里，有一篇“小罅光景”，写道：暗室上的小孔，尽管小孔不是圆的，但照出的光斑都是圆的。日食的时候，透过小孔照出的光斑也像日食的形状；孔的大小不同，但像的大小相同，只是浓淡不同；如果把像屏移近小孔，像会变小，亮度增加。
日食的时候，透过小孔照出的光斑也像日食的形状
赵友钦还在屋内地面挖了两口井，最深达约2.6米，作为物距，又以从地面到天花板的距离，作为像距，再用一千多支蜡烛，作为光源，做了多个严谨的大型实验。孔的大小和形状、光源亮度、像距和物距等，这些因素对成像效果的影响，都进行细致的研究，最终得出了正确结论：光穿过小孔所成的像，与光源的形状相同；光穿过大孔的所成的像，与孔的形状相同。这是中国古代对小孔成像研究作出的最为系统的论述。
同样是元代，大科学家郭守敬有了重大发展：他将小孔成像的原理，应用于天文仪器之中，制成了用于观测太阳的仰仪。仰仪的主体是一个铜制半球面，直径大约3米多，形状好像一口仰放着的大锅，因而得名。在半球面的边缘，刻着东、南、西、北和十二时辰；半球面的内部，纵横交错地刻划出网格，与观测地的纬度相应。大圆平面上，相交的两根杆子架着一块小板，板上有小孔。太阳光通过小孔，在格网上投下一个倒像，可以观测太阳的位置和日食。非常直观和方便。
从“小孔成像”千年以来被反复发现与遗忘的际遇，可见科学技术如果想要取得实质性的积累与进步，必须有一套科学的体系，这样，先人的研究成果才得以代代相传。但无论“小孔成像”的研究有多曲折，人们都会记住，是中国的墨子第一个发现：光是沿着直线传播的。
